光電效應

把光照在真空光電管裡的金屬上。調整光的波長、強度、陰極金屬與光電管兩端的電壓,看光子把電子打出來,畫出電流與電壓的關係圖、測量停止電壓,再由密立坎圖的斜率求出普朗克常數。

光電子 光子(波包) 兩板間的電場 E

示意圖:電子的運動放慢 2500 萬倍(畫面 1 秒 = 實際 40 ns),畫出的每個光子、電子都代表非常多個粒子;光子移動速度未依比例。電子的軌跡、電流與電表讀數都依下方的模型精確計算。

電流 I 對電壓 V 的圖:每次改變 V(或按「自動掃描」)就加一個點;不同顏色代表不同的光與金屬組合。
密立坎圖:每次記錄的停止電壓 Vs 對頻率 f,每種金屬畫一條最佳直線;斜率 = h/e。

背後的物理

頻率 \(f\) 的光由一份一份的能量——光子——組成,每個光子的能量 \(E = hf = hc/\lambda\),其中 \(h = 6.626\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s}\) 是普朗克常數。一個光子把全部能量交給一個電子;電子要離開金屬,至少要付出功函數 \(\phi\),剩下的變成動能。所以最快的光電子動能為(愛因斯坦,1905):

\[ K_{\max} = hf - \phi \qquad (hf > \phi) \]

如果 \(hf \le \phi\),不論光多強都打不出電子:每個光子的能量都不夠,光子再多也沒用。能打出電子的最低頻率稱為截止頻率:

\[ f_0 = \frac{\phi}{h}, \qquad \lambda_0 = \frac{c}{f_0} = \frac{hc}{\phi}, \qquad hc \approx 1240\ \mathrm{eV\,nm} \]

停止電壓

讓陽極的電位比陰極低(\(V < 0\))。兩板間的電場把電子往回推,電子要到達陽極必須花掉動能 \(e|V|\)。當 \(|V|\) 達到停止電壓 \(V_s\) 時,連最快的電子也會折返,電流變成零:

\[ eV_s = K_{\max} = hf - \phi \quad\Longrightarrow\quad V_s = \frac{h}{e}\,f - \frac{\phi}{e} \]

所以 \(V_s\) 對 \(f\) 的圖(密立坎圖,來自密立坎 1916 年的實驗)是一條直線:斜率 \(h/e\) 對每種金屬都一樣,在 \(f\) 軸的截距是 \(f_0\),在 \(V_s\) 軸的截距是 \(-\phi/e\)。把斜率乘上 \(e = 1.602\times10^{-19}\ \mathrm{C}\) 就得到 \(h\)。

電流與光的強度

功率 \(P\) 的光每秒帶來 \(N = P/hf\) 個光子;每個光子以很小的機率 \(\eta\)(量子效率)打出一個電子。當所有光電子都被陽極收集時,電流達到飽和電流:

\[ I_{\text{sat}} = \eta\, e N = \eta\, e\,\frac{P}{hf} \;\propto\; P \]

光的強度加倍,電子數加倍,每個電壓下的電流都加倍;但 \(K_{\max}\) 與 \(V_s\) 不變。功率相同時,頻率越高的光每個光子能量越大、光子數越少,所以飽和電流反而較小。

觀察重點

模擬方法